空气中的主要成分有氮气和氧气，但是还有稀有气体（氦、氖、氩、氪、氙、氡）、二氧化碳以及其他物质（如水蒸气、杂质等）组合而成。其中氮气的体积分数约为78%，氧气的体积分数约为21%，稀有气体（氦、氖、氩、氪、氙、氡）的体积分数约为0.934%，二氧化碳的体积分数约为0.04%，其他物质（如水蒸气、杂质等）的体积分数约为0.02%。空气的组成比例随高度、气压而改变。历史上人类曾认为空气是一种单一物质，直到法国科学家拉瓦锡通过实验首先得出了空气是由氧气和氮气组成的结论。19世纪末，科学家们又通过大量的实验发现，空气里还有氦、氩、氙等稀有气体。
空气在自然状态下空气是无色无味的。空气中的氧气对于所有需氧生物来说是必须的。所有动物都需要呼吸氧气，绿色植物的呼吸作用也需要氧气。此外绿色植物利用空气中的二氧化碳进行光合作用，空气几乎是所有植物所需二氧化碳的唯一来源。
空气是多种气体的混合物。它的恒定组成部分为氧气、氮气、稀有气体，可变组成部分为二氧化碳和水蒸气，它们在空气中的含量随地理位置和温度不同在很小限度的范围内会微有变动。至于空气中的不定组成部分，则随不同地区变化而有不同，例如，靠近冶金工厂的地方会含有二氧化硫，靠近氯碱工厂的地方会含有氯等等。此外空气中还有微量的氢气、臭氧、氧化二氮、甲烷以及或多或少的尘埃。实验证明，空气中恒定组成部分的含量百分比，在海拔100 km以内几乎不变。以体积含量计，氧约占20.95%，氮约占78.09%，稀有气体约占0.934%。一般说来，空气的成分是比较固定的。这对于人类和其它动植物的生存是非常重要的。但随着现代化工业的发展，排放到空气中的有害气体和烟尘，改变了空气的成分，造成了对空气的污染。被污染了的空气会严重地损害人体的健康，影响作物的生长，造成对自然资源以及建筑物等的破坏。